W. G. Schreiber

Paired inspiratory/expiratory spiral CT and continuous respiration cine CT in the diagnosis of tracheal instability

Abstract. In tracheo- and bronchomalacia, localisation and determination of collapse is necessary for planning of surgical procedure. We compared inspiratory and expiratory spiral CT, cine CT, bronchoscopy, exemplary cine MR, and evaluated the clinical relevance. Twenty-nine patients (2 follow-ups; mean age 61xa0years, age range 27–85xa0years) with suspected or verified tracheal stenosis or collapse (post-tracheotomy: n=17; neoplasm: n=5; other: n=7) underwent paired breath-hold inspiratory and expiratory spiral CT. Forty-five additional cine CT were performed at 1–4 levels (mean 1.5) during continuous respiration (increment 100xa0ms) to clarify respiratory collapse. The tracheal cross-sectional diameters of both techniques were calculated. Comparison with bronchoscopy, follow-up, and influence upon therapy were evaluated retrospectively. Exemplary comparison with cine MR (8 frames/s) was done in 3 cases. In addition to bronchoscopy, further information concerning localisation, extent, collapse, stability of the tracheal wall, distal portions of the stenosis and extraluminal compressions were obtained. A significantly higher degree and more pathological collapses (>50%) were seen using cine CT (38%) compared with paired spiral CT (13%; degree: p<0.0001; number: p<0.001). The findings changed the further therapeutic procedure in 16 of 29 patients. Further stenoses were excluded and bronchoscopy was verified in another 13 of 29. Temporal resolution of cine CT and cine MR is sufficient; however, spatial resolution of cine MR is inferior. Paired inspiratory and expiratory spiral CT localises tracheal stenoses and demonstrates relevant extraluminal compression. Significantly improved evaluation of respiratory collapse and further information of localised tracheal instability is obtained by cine CT. Cine MR promises more functional information especially due to free choice of imaging plane.

3He-MRI in follow-up of lung transplant recipients

The aim of this study was to evaluate the possible contribution of 3He-MRI to detect obliterative bronchiolitis (OB) in the follow-up of lung transplant recipients. Nine single- and double-lung transplanted patients were studied by an initial and a follow-up 3He-MRI study. Images were evaluated subjectively by estimation of ventilation defect area and quantitatively by individually adapted threshold segmentation and subsequent calculation of ventilated lung volume. Bronchiolitis obliterans syndrome (BOS) was diagnosed using pulmonary function tests. At 3He-MRI, OB was suspected if ventilated lung volume had decreased by 10% or more at the follow-up MRI study compared with the initial study. General accordance between pulmonary function testing and 3He-MRI was good, although subjective evaluation of 3He-MRI underestimated improvement in ventilation as obtained by pulmonary function tests. The 3He-MRI indicated OB in 6 cases. According to pulmonary function tests, BOS was diagnosed in 5 cases. All diagnoses of BOS were also detected by 3He-MRI. In 2 of these 5 cases, 3He-MRI indicated OB earlier than pulmonary function tests. The results support the hypothesis that 3He-MRI may be sensitive for early detection of OB and emphasize the need for larger prospective follow-up studies.

Oxygen-sensitive 3He-MRI in bronchiolitis obliterans after lung transplantation

Oxygen-sensitive 3He-MRI was studied for the detection of differences in intrapulmonary oxygen partial pressure (pO2) between patients with normal lung transplants and those with bronchiolitis obliterans syndrome (BOS). Using software developed in-house, oxygen-sensitive 3He-MRI datasets from patients with normal lung grafts (nu2009=u20098) and with BOS (nu2009=u20096) were evaluated quantitatively. Datasets were acqiured on a 1.5-T system using a spoiled gradient echo pulse sequence. Underlying diseases were pulmonary emphysema (nu2009=u200910 datasets) and fibrosis (nu2009=u20094). BOS status was verified by pulmonary function tests. Additionally, 3He-MRI was assessed blindedly for ventilation defects. Median intrapulmonary pO2 in patients with normal lung grafts was 146xa0mbar compared with 108 mbar in patients with BOS. Homogeneity of pO2 distribution was greater in normal grafts (standard deviation pO2 34 versus 43xa0mbar). Median oxygen decrease rate during breath hold was higher in unaffected patients (−1.75xa0mbar/s versus −0.38xa0mbar/s). Normal grafts showed fewer ventilation defects (5% versus 28%, medians). Oxygen-sensitive 3He-MRI appears capable of demonstrating differences of intrapulmonary pO2 between normal lung grafts and grafts affected by BOS. Oxygen-sensitive 3He-MRI may add helpful regional information to other diagnostic techniques for the assessment and follow-up of lung transplant recipients.

Visualization of alveolar recruitment in a porcine model of unilateral lung lavage using 3He-MRI

Background: In the acute respiratory distress syndrome potentially recruitable lung volume is currently discussed. 3He‐magnetic resonance imaging (3He‐MRI) offers the possibility to visualize alveolar recruitment directly.

Neue Entwicklungen in der MRT des Thorax

ZusammenfassungWegen technischer und physikalischer Einschränkungen wurde die MRT bisher nur selten zur Darstellung der Lunge eingesetzt. Neue Entwicklungen haben allerdings die Möglichkeiten der anatomischen Darstellung mittels MRT erheblich verbessert und gleichzeitig neue Perspektiven für funktionelle Darstellungen eröffnet. Dazu gehören Techniken zur funktionellen Untersuchung der Perfusion (Kontrastmittel, MR-Angiographie) und der Ventilation der Lunge (inhalierte aerosolierte Kontrastmittel, Sauerstoff, hochpolarisierte Edelgase [He-3, Xe-129] und fluorinierte Gase [SF6]). Die Gleichmäßigkeit der Ventilation, Bestimmung von Lungenvolumina, Größe der Lufträume, intrapulmonale Sauerstoffkonzentration, dynamische Verteilung der Ventilation und regionale Ventilations-Perfusions-Verhältnisse werden messbar.Die MRT vereinigt im Gegensatz zu den alternativen Untersuchungstechniken eine Vielzahl von Vorteilen: fehlende Strahlenexposition, hohe räumliche und zeitliche Auflösung und ein breites Spektrum funktioneller Informationen. Insbesondere in der Detektion von Ventilationsdefekten erscheint die MRT sensitiver als die Szintigraphie, die CT oder die Lungenfunktionsprüfung. Durch die Kombination der neuen Strategien wird der Radiologe die Möglichkeit besitzen, die Spezifität der Untersuchungen deutlich zu steigern und Störungen der Lungenfunktion zu charakterisieren. Der gemeinsamen Untersuchung von Ventilation und Perfusion kommt dabei eine zentrale Rolle zu.AbstractMRI was not used often for lung imaging due to technical and physical limitations. Recent developments have considerably improved anatomical MR imaging, and at the same time new perspectives for functional imaging emerged. They consist of functional investigations of pulmonary perfusion (contrast agents, MR angiography) and ventilation (inhaled contrast aerosols, oxygen, hyperpolarized noble gases [He-3, Xe-129] and fluorinated gases [SF6]). New parameters can be measured: homogeneity of ventilation, lung volumes, airspace size, intrapulmonary oxygen partial pressure, dynamic ventilation distribution and ventilation/perfusion ratios.MRI-inherent advantages are: lack of radiation, high spatial and temporal resolution, and a broad range of functional information. MRI of lung ventilation seems to be more sensitive in the detection of ventilation defects than scintigraphy, CT or pulmonary function tests. By combining the new strategies the radiologist will be capable to improve specificity of the investigations and to characterize lung function impairments. The joint assessment of ventilation and perfusion will play a major role in this development.

Possible mutagenic effects of magnetic fields

AIMnTo assess the potential mutagenic effect of static magnetic fields of 1.5 T and 7 T, gradient fields and high frequency magnetic fields.nnnMETHODnWe used the Salmonella mutagenicity test (Ames test), which detects mutations in a gene of a histidine-requiring (his-) strain to produce a histidine-independent (his+) strain, Exposure to a static magnetic field of 1.5 T and 7.2 T, in a bipolar magnetic gradient and additionally in a high frequency field took place with and without known genotoxic chemicals.nnnRESULTSnNo differences in the number of revertants between the bacterial strains of exposed and control cells could be detected and the exposure with known genotoxic chemicals showed no significant difference in mutagenicity.nnnCONCLUSIONnIn conclusion our data do not provide evidence that exposure to a static magnetic field exerts effects on the mutagenicity in our standard tester strains and whether the exposure took place in a diagnostic 1.5 T MR scanner which is used in the clinical routine or at 7.2 T which is a much stronger field made no difference. Also an exposure in a gradient field or in a high frequency field did not show any alteration in the number of revertants.Aim: To assess the potential mutagenic effect of static magnetic fields of 1.5 T and 7T, gradient fields and high frequency magnetic fields. Method: We used the Salmonella mutagenicity test (Ames test), which detects mutations in a gene of a histidine-requiring (his-) strain to produce a histidine-independent (his + ) strain. Exposure to a static magnetic field of 1.5 T and 7.2 T, in a bipolar magnetic gradient and additionally in a high frequency field took place with and without known genotoxic chemicals. Results: No differences in the number of revertants between the bacterial strains of exposed and control cells could be detected and the exposure with known genotoxic chemicals showed no significant difference in mutagenicity. Conclusion: In conclusion our data do not provide evidence that exposure to a static magnetic field exerts effects on the mutagenicity in our standard tester strains and whether the exposure took place in a diagnostic 1.5T MR scanner which is used in the clinical routine or at 7.2 T which is a much stronger field made no difference. Also an exposure in a gradient field or in a high frequency field did not show any alteration in the number of revertants.

Mobiler DNP-Polarisator und biokompatible Radikale: Entwicklungen für den Einsatz in der molekularen Bildgebung

Ziel: Entwicklung eines mobilen Hyperpolarisators auf Basis der dynamischen Kernpolarisation (Dynamic Nuclear Polarisation (DNP)) zur Herstellung von hyperpolarisierten Kontrastmitteln fur die molekulare Bildgebung. Beim DNP-Effekt wird die hohe Boltzmann-Polarisation von Elektronenspins uber dipolare Kopplungen auf Kernspins ubertragen. Zu diesem Zweck mussen der Probe freie Radikale zugesetzt werden, die vor der Injektion des hyperpolarisierten Kontrastmittels entfernt oder besser, biokompatibel sein mussen. Die vorgestellte Arbeit beinhaltet die Entwicklung eines mobilen DNP-Polarisators, der an verschiedenen MR Tomographen eingesetzt werden kann und eine Radikal-Studie, bei der die DNP-Effizienz von biokompatiblen Radikalen untersucht wird. Material und Methoden: Der mobile DNP-Polarisator beruht auf einem Halbach Magneten mit moderater Feldstarke (0,06–0,4T) und geringem Streufeld. Als biokompatible Radikale wurden neuartige Heparin-Nitroxid Radikale verwendet, die sich hinsichtlich der Markierungsposition und des Markierungsgrades unterscheiden und deren DNP-Effizienz mit herkommlichen freien Radikalen (Tempol) verglichen wurde. Ergebnisse: Der mobile Polarisator kann nahe an einen MR Tomographen herangebracht werden und erlaubt so die effiziente Nutzung der hergestellten Hyperpolarisation. Es wurden Signalverstarkungen von -105 bei Raumtemperatur mit Tempol erreicht (Literaturwert: -110). Die Heparin-Nitroxid Radikale zeigen trotz breiter EPR-Linien eine sehr gute DNP-Effizienz und Verstarkungsfaktoren von -90. Schlussfolgerung: Der mobile Polarisator stellt ein effizientes Gerat zur drastischen Erhohung der Kernmagnetisierung und damit der Signalintensitat in der MRT dar. Die untersuchten biokompatiblen Radikale zeigen eine gute DNP-Effizienz und vereinfachen die Herstellung von hyperpolarisierten Kontrastmitteln.

Transportabler DNP Polarisator zur klinischen Anwendung

Ziele: Entwicklung eines mobilen Hyperpolarisators fur Flussigkeiten zur drastischen Erhohung der MR-Signalintensitat. Der Polarisator kann nahe an einen MR Tomographen herangebracht werden und erlaubt so die effiziente Nutzung der hergestellten Hyperpolarisation, die mit dem T1 der polarisierten Substanz zerfallt. Der Einsatz des Polarisators soll die MR-Bildgebung von Kernen wie 13C und 15N ermoglichen, um so Zugang zu Informationen uber den Metabolismus der hyperpolarisierten und injizierten Substanz zu erhalten, was u.a. in der Tumordiagnostik eingesetzt werden kann. Methode: Der Polarisator beruht auf einem Halbach Magneten mit moderater Feldstarke (0,03–0,30T) und geringem Streufeld. Der verwendete Magnet besteht aus 3 ineinander gesetzten Ringen aus Permanentmagneten in Halbach Anordnung und erlaubt eine genaue Einstellung der gewunschten Feldstarke. Das Gewicht des Magneten betragt 90kg inklusive Zubehor und kann auf einem fahrbaren Tisch mit 2 Ebenen zusammen mit der Mikrowellenquelle transportiert werden. Es wurden 1H-DNP-Experimente mit 3 Radikalen (Triaryl-Radikal (TAM), TEMPOL, Polyelektrolyt mit kovalent gebundenen Nitroxid-Radikalen) durchgefuhrt und die erreichten Verstarkungsfaktoren bei 0.3 T und Raumtemperatur verglichen. Ergebnis: Die Hyperpolarisation der Kernspins konnte im beschriebenen Aufbau erfolgreich und reproduzierbar durchgefuhrt werden. Die Verstarkungsfaktoren von TAM und TEMPOL in Abhangigkeit der Einstrahlfrequenzen der Mikrowelle wurden bestimmt und mit EPR-Spektren uberlagert. Es zeigte sich eine gute Ubereinstimmung. Zusatzlich wurden die DNP-Verstarkungsfaktoren von allen drei Radikalen in Abhangigkeit von der eingestrahlten Mikrowellenleistung gemessen und auf die mit diesem Aufbau maximal erreichbaren Verstarkungsfaktoren extrapoliert (TAM: 27, TEMPOL: 60, Polyelektrolyt: 80). Schlussfolgerung: Der mobile Polarisator stellt ein effizientes Gerat zur drastischen Erhohung der Kernmagnetisierung und damit der Signalintensitat in der MRT dar. Der DNP Effekt, der auf der Ubertragung der hohen Polarisation von ungepaarten Elektronen auf Kernspins beruht, ist bei diesen Feldstarken wesentlich effizienter als im Hochfeld und auch die Eindringtiefe der zur EPR Anregung notwendigen Mikrowellenstrahlung (hier 2–9 GHz) ist zur Anregung klinisch relevanter Probenvolumina pradestiniert. Unser Aufbau erlaubt die Quantifizierung und Optimierung der entstehenden Hyperpolarisation, die in klinischen MR Geraten z.B. in der molekularen Bildgebung eingesetzt werden kann. Korrespondierender Autor: Munnemann K Uniklinikum der Johannes Gutenberg Universitat Mainz, Radiologie/Medizinische Physik, Langenbeckstr. 1, 55131 Mainz E-Mail: muennema@uni-mainz.de